Tóm tắt đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử: Nghiên cứu xây dựng phần mềm điều khiển nhiệt độ của mô đun dòng chảy chất lỏng theo thuật toán PID

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lê Anh Tuấn

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN NHIỆT
ĐỘ CỦA MƠ ĐUN DỊNG CHẢY CHẤT LỎNG THEO THUẬT
TỐN PID

Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật cơ điện tử

TĨM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1


MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, kỹ thuật điều khiển có vai trị thiết yếu trong các hệ thống
điều khiển. Một hệ thống có thể có Cơ khí – Điện – Hóa chất và các mơ
hình tốn học, phân tích và thiết kế bộ điều khiển sử dụng lý thuyết điều
khiển trong một hoặc nhiều thời gian, tần số, và các lĩnh vực phức tạp
tùy theo tính chất của vấn đề thiết kế.
Lý thuyết điều khiển và kiểm sốt được chia thành hai phần chính
trong đó là cổ điển và hiện đại. Việc thực hiện thiết kế bộ điều khiển cổ
điển so với các hệ thống được thiết kế bằng cách sử dụng lý thuyết điều
khiển hiện đại dễ dàng hơn và các bộ điều khiển được ưa thích trong hầu
hết các ứng dụng cơng nghiệp. Các bộ điều khiển phổ biến nhất, được
thiết kế sử dụng lý thuyết điều khiển cổ điển, là bộ điều khiển PID.
Hiện nay, tại phịng thí nghiệm của Khoa Cơ học kỹ thuật và Tự
động hóa, trường Đại học Cơng nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội có trang

bị một hệ thống điều khiển nhiệt độ của dòng chảy chất lỏng (RYCTAG). Nghiên cứu này tập trung vào việc tìm hiểu phần cứng, sau đó
phân tích và nghiên cứu hệ thống.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
RYC-TAG là một mô đun ứng dụng điều khiển được thiết kế bởi
EDIBON. Nó được thiết kế để làm việc kết hợp với đơn vị RYC. Nó cho
phép nghiên cứu một số khái niệm quan trọng nhất về Quy chế và Kiểm
soát một cách dễ dàng và nhanh chóng.

1


Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Đơn vị được cung cấp một bộ thực tiễn, thơng qua đó người sử dụng
sẽ hiểu làm thế nào để mô tả một hệ thống điều khiển nhiệt độ, điều
chỉnh bộ điều khiển PID để kiểm soát nhiệt độ, quan sát phản ứng của hệ
thống cho các cấu hình PID khác nhau, vv
Tiến hành chạy, thu thập dữ liệu đo và phân tích các kết quả có
được.
Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu chính của đề tài là nghiên cứu vận hành tìm
hiểu hoạt động của mơ đun điều khiển nhiệt độ dịng chảy chất lỏng, viết
chương trình điều khiển mơ đun. Bố cục khóa luận được chia thành 4
chương, cụ thể như sau:
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH CỦA
MƠ ĐUN ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ DỊNG CHẢY CHẤT LỎNG VÀ
CÁC MƠ ĐUN LIÊN QUAN
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

2


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG
Trong chương này chúng ta có cái nhìn khái qt về tồn bộ hệ
thống sẽ thực hiện. Xem xét cấu tạo của các mô đun, mô tả về chúng. Hệ
thống sẽ bao gồm mô đun điều khiển nhiệt độ dịng chảy chất lỏng RYCTAG, mơ đun điều chỉnh điều khiển với máy tính (RYC) giúp ta điều
khiển mơ đun RYC-TAG bằng máy tính với kết nối sử dụng card thu
thập dữ liệu PCIe. Phần mềm Labview là ứng dụng giúp ta tự xây dựng
lên chương trình điều khiển cho hệ thống một cách nhanh chóng và hiệu
quả.
CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
Toàn bộ lý thuyết liên quan được nêu cụ thể và đầy đủ trong chương
này. Ban đầu chúng ta có một phương trình cân bằng nhiệt của mơ đun
điều khiển nhiệt độ dịng chảy chất lỏng. Chúng ta sử dụng phép biến đổi
Laplace để cho phương trình vi phân đó thành phương trình đại số đơn
giản. Cuối cùng chúng ta có được một phương trình đại diện cho hệ
thống.

Hệ thống mà chúng ta sử dụng đến là một hệ thống bậc nhất. Điều
khiển PID là phương pháp điều khiển phổ biến nhất được sử dụng cho
các quy trình cơng nghiệp. Một số phương pháp giúp chúng ta điều khiển
PID bao gồm tính tốn với các thơng số thực tế và phương pháp thực
nghiệm để tìm ra kết quả. Ở đây, chúng ta sử dụng phương pháp thực
nghiệm để tìm ra thơng số PID phù hợp nhất. Bộ trao đổi nhiệt trong mô
đun được coi là trung tâm của hệ thống, nơi là nơi dòng nước nóng và
dịng nước lạnh trao đổi nhiệt.
3

Hình 2.5. Mơ phỏng bộ trao đổi nhiệt
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG HỆ NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH MƠ ĐUN
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ DỊNG CHẢY CHẤT LỎNG
Ta có các thành phần cơ bản của hệ thống như sau:

4


Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống
Bao gồm các mơ đun RYC, RYC-TAG, card thu thập dữ liệu NI
PCIe-6321 và phần mềm điều khiển viết bởi ứng dụng LabVIEW trên
máy tính. Chúng ta có các bước được xây dựng giúp thực nghiệm và
nghiên cứu các đặc tính của mơ đun. Các bước thực hiện với mô đun
RYC với hệ thống bậc nhất, thử nghiệm bộ PID. Mô đun RYC-TAG với
một mơ hình thực thế để khảo sát lại kết quả. Phần mềm được viết bởi
Labview có giao diện trực quan, dễ sử dụng có giao diện tổng quan như
sau:

Hình 3.12. Giao diện và kết quả thực hiện chương trình
Qua thực nghiệm cho thấy phần mềm hiển thị còn chưa thực sự giải
quyết được hoàn toàn các sai số. Việc xử lý còn chưa giải quyết được
nhiều yếu tố gây sai số khi hiển thị.
5


CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Chương cuối cùng này nêu các kết quả điển hình của hệ thống trong
quá trình thực nghiệm với các mô đun của bản thân. Một số kết quả điển
hình trong quá trình thực nghiệm được trình bày. Hình dưới đại diện cho
phản ứng của hệ thống bậc nhất theo miền thời gian và phản ứng của hệ

thống thực nghiệm với việc điều khiển sử dụng bộ PID.

Hình 4.1. Đồ thị thể hiện bước phản ứng của hệ thống bậc nhất theo thời
gian thứ nhất

Hình 4.22. Phản ứng của hệ thống điều khiển nhiệt độ dòng chảy chất
lỏng
6


Hình 4.22 cho thấy sự ưu việt khi sử dụng thuật toán PID vào trong
việc điều khiển hệ thống. Kết quả phản hồi của hệ thống bám sát yêu cầu
đặt ra.
KẾT LUẬN
Trong q trình thực hiện đề tài, khóa luận rút ra một số kết quả
chính như sau:
- Tìm hiểu, học tập một số kiến thức về các hệ thống bậc nhất, sử
dụng phép biến đổi Laplace trong việc giải quyết các phương trình vi
phân của hệ thống.
- Nghiên cứu hệ thống điều khiển nhiệt độ dòng chảy chất lỏng và
ứng dụng bộ điều khiển PID trong hệ thống điều khiển. Các kết quả thực
nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động đúng như lý thuyết đã đề ra.
- Học tập và sử dụng phần mềm LabVIEW để lập trình hệ thu thập
tín hiệu cảm biến nhiệt độ, truyền tín hiệu đặt vào hệ thống, viết được
phần mềm labview điều khiển mô đun ryc-tag.
Tuy nhiên, do một số hạn chế về kiến thức chuyên sâu trong lĩnh
vực điều khiển hệ thống với PID, kinh nghiệm sử dụng bộ PID cịn ít,
nên kết quả mới chỉ dừng lại ở việc đánh giá là phù hợp với lý thuyết, mà
vẫn chưa xác định được độ chính xác tuyệt đối. Trong q trình chạy thử
nghiệm, kết quả đo đạc cũng thường chịu ảnh hưởng bởi nhiễu từ bên

ngoài.
Từ những hạn chế và thời gian không cho phép, nên tác giả cũng đề
xuất một số hướng nghiên cứu tiếp theo như cải tiến phần cứng, lập trình
giảm tác động của nhiễu và hồn thiện hệ đo, có đánh giá và tăng độ
chính xác, xây dựng các chức năng phong phú hơn cho phép hiển thị
7


được nhiều đặc tính hơn, thiết kế giao diện dễ dàng cho việc sử dụng hơn
và có thể ứng dụng tiến hành cho nhiều thử nghiệm khác nhau trên mô
đun ...

8